東濮凹陷北部低有機(jī)質(zhì)豐度烴源巖高效成藏機(jī)理

鹿坤 ，李長(zhǎng)春 ，周峰 ，張成富 ，徐田武

（1.中國(guó)石化中原油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001；2.中國(guó)石化中原油田分公司文衛(wèi)采油廠，河南 濮陽(yáng) 457001）

東濮凹陷北部面積1 800 km2，烴源巖總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）平均為0.80%，70%的巖心樣品TOC低于1.00%。按陸相烴源巖的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域烴源巖屬于低有機(jī)質(zhì)豐度烴源巖。截至2020年底，東濮凹陷探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量58 165×104t，探明率為55.3%，探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量667.5×108m3，探明率為19.7%；且油氣探明儲(chǔ)量的90%都在北部。按儲(chǔ)量規(guī)模分類(lèi)，該凹陷屬于大型油田。低有機(jī)質(zhì)豐度烴源巖、高儲(chǔ)量豐度，其高效成烴成藏機(jī)理值得探究。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)低有機(jī)質(zhì)豐度烴源巖的研究多集中在對(duì)其有機(jī)質(zhì)豐度下限的判識(shí)方面［1-3］。前人對(duì)東濮凹陷烴源巖生烴潛力方面的研究比較深入［4-14］，但對(duì)北部烴源巖低豐度的原因及其高效成藏的機(jī)理未曾研究。本文運(yùn)用有限空間熱壓模擬、鏡下鑒定等方法對(duì)此進(jìn)行了分析探討，研究成果可為東濮凹陷油氣富集規(guī)律、資源評(píng)價(jià)、頁(yè)巖油氣及同類(lèi)型油氣勘探提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

東濮凹陷位于渤海灣盆地南緣，東側(cè)以蘭聊斷層為界，西側(cè)與內(nèi)黃隆起相接，南至蘭考凸起，北到馬陵斷層，總體呈北北東向展布，南寬北窄，面積約5 300 km2［15］。本次研究區(qū)域?yàn)闁|濮凹陷北部地區(qū)，包括含鹽區(qū)和無(wú)鹽區(qū)（見(jiàn)圖1）。

圖1 東濮凹陷構(gòu)造單元?jiǎng)澐?/p>

東濮凹陷具有遠(yuǎn)源匯聚、高隆閉流的沉積特點(diǎn)，細(xì)粒沉積巖廣泛發(fā)育。北部鹽巖發(fā)育，主要發(fā)育沙一鹽、沙三上鹽、衛(wèi)城上鹽、衛(wèi)城下鹽等，形成了多套以鹽巖為蓋層的儲(chǔ)蓋組合，油氣具有近源聚集的特點(diǎn)；暗色泥巖主要分布在古近系沙河街組，其中，沙一段、沙三上亞段、沙三中亞段、沙三下亞段和沙四上亞段是主力烴源巖發(fā)育段。

2 低有機(jī)質(zhì)豐度烴源巖地球化學(xué)特征

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

東濮凹陷北部含鹽區(qū)優(yōu)質(zhì)烴源巖以石灰質(zhì)或白云質(zhì)頁(yè)巖為主，TOC平均為1.46%，TOC大于1.00%的烴源巖占比超過(guò)35%；半咸水環(huán)境烴源巖多為塊狀泥巖，TOC主要在0.30%～1.50%，平均為0.65%，生烴潛力中等。由此可見(jiàn)越靠近鹽巖發(fā)育區(qū)，有機(jī)質(zhì)豐度越高。從縱向上來(lái)看：北部沙四上、沙三下亞段烴源巖好于沙三中、沙三上亞段，特別是前梨園洼陷沙四上亞段鹽間優(yōu)質(zhì)烴源巖TOC最高可達(dá)6.00%；其次是沙三下亞段烴源巖，TOC平均為1.48%，生烴潛量平均為8.58 mg/g，氯仿瀝青“A”平均為0.39%，為好—優(yōu)質(zhì)烴源巖；沙三上亞段烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度最差，為差—中等烴源巖。按照中國(guó)陸相生油層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)判斷，東濮凹陷北部烴源巖總體屬于差—中等烴源巖。

2.2 有機(jī)質(zhì)類(lèi)型

東濮凹陷北部干酪根類(lèi)型以Ⅱ1型和Ⅱ2型為主，占比分別為30%，40%，兼有部分Ⅰ型和Ⅲ型（見(jiàn)圖2）。從平面上來(lái)看：含鹽區(qū)干酪根類(lèi)型以Ⅱ1型和Ⅱ2型為主，占比分別為30%，40%；無(wú)鹽區(qū)干酪根類(lèi)型以Ⅱ2型為主，占比為50%。——含鹽區(qū)干酪根類(lèi)型略好于無(wú)鹽區(qū)。這說(shuō)明古沉積環(huán)境對(duì)烴源巖生物來(lái)源起著重要的控制作用：含鹽區(qū)為封閉的還原環(huán)境，以溝鞭藻等水生生物來(lái)源為主；無(wú)鹽區(qū)為半開(kāi)放環(huán)境，陸源高等植物占一定的比例，干酪根類(lèi)型略差。

圖2 東濮凹陷北部干酪根類(lèi)型判別

2.3 生物標(biāo)志化合物特征

總體來(lái)看：東濮凹陷北部烴源巖正構(gòu)烷烴碳數(shù)分布以前峰型為主，具有植烷優(yōu)勢(shì)；γ蠟烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，指示咸水強(qiáng)還原環(huán)境（見(jiàn)圖 3a）；甾烷 C27，C28，C29呈“L”型分布（見(jiàn)圖3b），以水生生物來(lái)源為主。但含鹽區(qū)和無(wú)鹽區(qū)烴源巖生物標(biāo)志化合物特征略有差別——含鹽區(qū)γ蠟烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于無(wú)鹽區(qū)，含鹽區(qū)甾烷C27，C28，C29質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈“L”型分布，無(wú)鹽區(qū)甾烷 C27，C28，C29質(zhì)量分?jǐn)?shù)則部分呈“V”型分布。這說(shuō)明越靠近鹽巖發(fā)育區(qū)，古生物來(lái)源越好。

圖3 東濮凹陷北部生物標(biāo)志化合物特征

3 低有機(jī)質(zhì)豐度烴源巖高效排烴因素

3.1 凹陷北部?jī)?chǔ)層高溫、高壓、頻繁砂泥巖互層

東濮凹陷北部?jī)?chǔ)層埋深大，熱演化程度高，鏡質(zhì)組反射率（Ro）可達(dá)2.0%；普遍發(fā)育超壓，壓力系數(shù)最高可達(dá)2［16-17］；凹陷層序發(fā)育具有高頻振蕩特征，湖平面變化頻率大于1 000次/Ma，致使砂泥巖互層普遍發(fā)育。

熱壓模擬實(shí)驗(yàn)表明，演化程度越高，殘余TOC越低（見(jiàn)圖4）。東濮凹陷熱演化程度高，這是其有機(jī)質(zhì)豐度普遍偏低的重要原因。

圖4 明8井殘余TOC隨Ro的變化

東濮凹陷超壓發(fā)育，從前參2井異常高壓與排烴效率的關(guān)系（見(jiàn)圖5）可以看出，超壓區(qū)排烴效率明顯高于常壓區(qū)。

圖5 前參2井異常高壓與排烴效率的關(guān)系

熱壓模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)，排烴方式不同，則排烴效率差異明顯，少量多次的排烴方式排烴效率最高。東濮凹陷頻繁砂泥巖互層，更利于烴類(lèi)的排出。

熱壓模擬實(shí)驗(yàn)還證實(shí)，東濮凹陷有機(jī)碳恢復(fù)系數(shù)和排烴效率明顯偏高。從明8井有限空間熱壓模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在主力生烴階段（Ro在1.0%～2.5%），有機(jī)碳恢復(fù)系數(shù)介于2.5～2.8，排烴效率大部分介于60%～90%，明顯高于其他凹陷（見(jiàn)圖6）。

圖6 明8井有機(jī)碳恢復(fù)系數(shù)、排烴效率隨鏡質(zhì)組反射率的變化

3.2 東濮凹陷北部典型的咸水環(huán)境

從東濮凹陷北部烴源巖樣品飽和烴色譜的Pr/Ph（即姥鮫烷與植烷質(zhì)量比）來(lái)看，80%樣品的Pr/Ph小于0.8；從烴源巖樣品的微量元素Sr/Ba（Sr與Ba質(zhì)量比）來(lái)看，均大于1：指示東濮凹陷北部為典型咸水環(huán)境。

雖然鹽湖盆地水體鹽度高，不利于淡水生物的生存，但現(xiàn)代鹽湖環(huán)境證明，一些嗜鹽的藻類(lèi)、菌類(lèi)等，可以在氣候條件適當(dāng)?shù)那闆r下勃發(fā)。東濮凹陷鹽湖環(huán)境的優(yōu)質(zhì)烴源巖由溝鞭藻、藍(lán)藻等組成，鏡下觀察為金色或黃色強(qiáng)熒光，與碳酸鹽構(gòu)成紋層狀分布（見(jiàn)圖7）。

圖7 東濮凹陷鹽湖環(huán)境烴源巖富集有機(jī)質(zhì)鏡下照片

一般淡水沉積環(huán)境的藻類(lèi)體原始生產(chǎn)力（即單位時(shí)間、面積生產(chǎn)的有機(jī)碳質(zhì)量）為 300～400 g/（m2·a），而咸水環(huán)境藻類(lèi)體原始生產(chǎn)力為 1 114～4 102 g/（m2·a），是淡水環(huán)境的4～10倍。從TOC與古鹽度（ζs）關(guān)系（見(jiàn)圖8）可以看出，ζs在 18‰～30‰時(shí)，TOC 最高。

圖8 東濮凹陷古近系TOC與ζs的關(guān)系

從咸水和半咸水湖相泥巖生排烴模式對(duì)比來(lái)看：咸水環(huán)境烴源巖（如衛(wèi)20井）生油高峰的Ro為0.8%，總生油率wo（即單位質(zhì)量有機(jī)碳的生油質(zhì)量）為699.2 kg/t；半咸水環(huán)境烴源巖（如胡19-23井和明8井）生油高峰的 Ro為 1.2%，wo為 600.0～650.0 kg/t（見(jiàn)圖 9）。——說(shuō)明咸水環(huán)境烴源巖具有早生烴、早排烴、生烴率高、生烴周期長(zhǎng)的特點(diǎn)。究其原因，一是東濮凹陷發(fā)育巨厚鹽層，而鹽具有較高的熱導(dǎo)率和聚熱性能，利于與之緊密相鄰的烴源巖早期生烴；二是無(wú)機(jī)鹽類(lèi)溶液屬于強(qiáng)電解質(zhì)溶液，降低了C—C鍵的鍵能，有利于有機(jī)質(zhì)的脫羧生烴。

圖9 不同環(huán)境烴源巖生排烴模式

3.3 東濮凹陷多套鹽巖優(yōu)良的封蓋能力

東濮凹陷鹽巖發(fā)育［18-21］，分布廣，厚度大，純鹽層累加厚度最大達(dá)2 000 m以上，鹽巖具有極好的封蓋性能，利于油氣聚集保存。從東濮凹陷的油氣分布來(lái)看，探明儲(chǔ)量主要分布在沙二段和沙三中亞段；同樣，東濮凹陷鹽巖分布最廣的為沙一鹽和沙三中鹽。這說(shuō)明鹽巖的分布決定了東濮凹陷油氣的分布。

橫向上，鹽巖與碎屑巖砂體具有長(zhǎng)消關(guān)系（鹽進(jìn)砂退、鹽退砂進(jìn)）；縱向上，砂體與鹽巖存在著指狀交錯(cuò)關(guān)系。鹽巖與砂巖、構(gòu)造相配合，易形成多種類(lèi)型油氣藏，如鹽巖作為側(cè)向封堵形成砂巖上傾尖滅油氣藏、鹽下背斜油氣藏、鹽巖上蓋+側(cè)向封堵油氣藏、鹽巖上蓋+斷層封堵油氣藏等。

綜上所述，東濮凹陷北部?jī)?chǔ)層高溫、高壓、頻繁砂泥巖互層的特點(diǎn)，決定了烴源巖排烴效率高，有機(jī)質(zhì)豐度普遍偏低，而典型的咸水環(huán)境使得烴源巖原始生產(chǎn)力高、早生烴、早排烴、生烴周期長(zhǎng)、生烴率高，加上東濮凹陷多套鹽巖具有優(yōu)良的封蓋能力，利于油氣的聚集保存。這就是東濮凹陷北部烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度低而儲(chǔ)量豐度高的高效成烴成藏的原因和機(jī)理。

4 結(jié)論

1）東濮凹陷高溫、高壓、頻繁砂泥巖互層的特點(diǎn)，決定了烴源巖排烴效率高、有機(jī)碳恢復(fù)系數(shù)大，而殘余TOC低。

2）東濮凹陷北部為典型的咸水環(huán)境，咸水烴源巖母質(zhì)類(lèi)型為溝鞭藻、藍(lán)藻等水生生物，原始生產(chǎn)力高，具有早生烴、早排烴、生烴周期長(zhǎng)、生烴率高等特點(diǎn)。

3）東濮凹陷發(fā)育多套鹽巖，利于油氣的聚集保存，易形成多種類(lèi)型的油氣藏。